醫用內窺鏡關鍵技術的研究

陳慶解放軍第174醫院，福建 廈門 361003

醫用內窺鏡關鍵技術的研究

陳慶
解放軍第174醫院，福建 廈門 361003

本文介紹了內窺鏡的發展歷程和技術現狀，剖析了醫用內窺鏡發展中各部分的關鍵技術，主要包括圖像采集、圖像后處理和照明方式，并對醫用內窺鏡未來的發展方向進行了展望。研究內窺鏡關鍵技術，可以提高我國的醫療水平，帶動相關產業和科技的進步，改善人民的生活質量，具有極其重要的現實意義。

醫用內窺鏡；圖像采集；圖像傳感器

0 引言

隨著半導體和計算機技術的飛速發展，其應用領域不斷向周邊學科滲透，集傳統光學技術與現代計算機技術、微電子技術等高新技術于一身的醫用電子內窺鏡已經成為當前應用非常廣泛的一種醫療儀器。醫生通過電子內窺鏡不僅能直接觀察到人體內臟器官的組織形態及病變情況，而且還可將觀察到的圖像進行存儲和傳輸，以便進一步的診療和處理，其診療優越性已在醫學界達成共識。本文介紹了醫用內窺鏡的發展歷程，分析了國內外醫用內窺鏡的技術現狀，剖析了醫用內窺鏡發展中各部分關鍵技術，主要包括圖像采集、圖像后處理和照明方式，并對醫用內窺鏡未來的發展方向進行了展望。

1 內窺鏡的發展歷程及技術現狀

1.1 發展歷程

醫用內窺鏡的歷史由來已久，伴隨著人類對自身研究的深入而逐步發展，其雛形的出現最早可追溯到公元前460～375年間，它是由古希臘名醫Hippocrates領導的醫療小組發明的一種直腸診視器，該診視器與今天所用的內窺鏡非常相似[1]。在這之后內窺鏡檢查技術沒有重大的突破，直到19世紀才進入內窺鏡真正的發展時期。其發展歷程一般可分為：硬管式內窺鏡、半可屈式內窺鏡、纖維內窺鏡、超聲與電子內窺鏡等階段。

硬管式內窺鏡的起源可追溯到1795年，德國醫生Philip Bozzini在病人的肛門內插入一根硬管，借助于蠟燭的光亮，觀察膀胱和直腸內部病變[2]。至此一個多世紀的時間里，硬管式內窺鏡不斷的完善與發展，但由于人體很多器官組織存在解剖上的生理彎曲，這種內窺鏡所能獲得的診斷資料有限，病人不但很痛苦，而且由于器械很硬，造成穿孔的危險性很大。直到1932年，Schindler與器械制作師Wolf成功研制出一種半可屈式內窺鏡，可在不同水平彎曲34°，且圖像不變形。這種內窺鏡前端配有一光滑的金屬球，方便插入患者，減少了對患者的機體損傷，且由48個透鏡組成光學系統，燈泡光亮度強，醫生能清晰地觀察圖像[3]。

針對傳統內窺鏡照明效果差、圖像扭曲變形、內光源有灼傷危險等缺點，1930年德國Lamm提出用直徑微小的纖維束傳導光源[4]。1957年，Hirschowitz及其團隊展示了歷史上第一臺用于檢查胃、十二指腸的光導纖維內鏡，為纖維內窺鏡的發展拉開了序幕。纖維內窺鏡以光導纖維為導光、傳像元件，運用外部強冷光源照明，加裝活檢裝置及照相機，可進行攝像。隨著附屬裝置的不斷改進，纖維內窺鏡不但可用于診斷，同時還可用于消化道止血、激光治療、腫瘤狹窄處放置內支架等手術治療。但鑒于光纖的易折斷性，圖像在傳輸中極易出現黑點，導致纖維式內窺鏡使用壽命變短。

1983年美國Welch Allyn公司研制并應用光電圖像傳感器（Charge Coupled Device，CCD）,代替了光導纖維導像技術，將光信號轉換成為電子信號， 宣告電子內窺鏡的誕生[5]。電子內窺鏡插入體內的一端裝有由一小塊硅片集成的CCD鏡頭，它能將待查部位的圖像轉化為數字化的電信號，圖像通過金屬導線傳送，由圖像監視器接收并顯示。這一技術的應用使圖像的貯存、再現、會診以及計算機管理成為可能。與以往纖維內鏡相比較，電子內窺鏡的圖像更清晰、色澤更逼真、分辨率也更高，可供多人同時觀看。2002年11月，世界上首個“高清晰內窺鏡系統”誕生，之后西歐和日本等多個國家對電子內窺鏡進行了多范圍、多層次的研發，掀起了一股至今未衰的電子內窺鏡的應用和開發熱潮。

1.2 技術現狀

從醫用內窺鏡的發展來看，新產品、新技術層出不窮，微型圖像傳感器和成像技術均在不斷發展，其最新產品的成像分辨率達到100萬像素以上。Olympus在2006年率先推出1080i HDTV高清晰電子內窺鏡，2007年Pentax和Storz公司也相繼推出了百萬像素的高清內窺鏡。高清視頻圖像分辨率更高，能夠分辨更多的細節，可更容易識別潛在的病灶，是未來內窺鏡發展的方向。在圖像處理和信息提取方面，目前所使用的最新技術包括：放大成像、窄帶光譜成像技術、自體熒光顯像、近紅外成像、多功能成像技術等。

2 關鍵技術

縱觀醫用內窺鏡的發展歷程和技術現狀，其關鍵技術主要包括圖像采集、圖像后處理和照明方式。

2.1 圖像采集

圖像采集系統一般包括成像鏡頭、微型圖像傳感器、采集和處理電路等部分組成。

2.1.1 成像鏡頭

成像鏡頭設計經歷了從傳統的、非球面鏡頭到最新的液體透鏡的階段。非球面具有可以消除球差、減少鏡片數量、縮小鏡頭體積等優點，應用在內窺鏡鏡頭中具有較為理想的效果；液體透鏡受到當前技術發展的限制，在內窺鏡中還只有較少量的應用。各種光學鏡頭種類繁多，主要參數也不盡相同，合適的參數指標應根據不同接口、光敏面光學格式、焦距、光圈、視場、F數等來確定。

2.1.2 圖像傳感器

圖像傳感器是感受光學圖像信息并轉換成可用輸出信號的傳感器，是組成數字攝像頭的重要組成部分，根據元件的不同，可分為電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）和金屬氧化物半導體元件（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）兩大類[6]。在纖維內窺鏡中，圖像傳感器位于插管的遠端；而在硬管內窺鏡中，傳感器位于插管的近端，往往就在攝像頭的內部，可通過向攝像頭輸送電力和在兩個單元之間傳輸數據的電纜將該攝像頭連接至攝像頭的控制單元。

CCD于1969年在貝爾實驗室研制成功，之后由日商等公司開始量產，從初期的10多萬像素已經發展至目前主流應用的500萬像素，具有高解析度、動態范圍廣、低失真等優點[7]。CCD可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應用于數碼相機（DSC）、攝錄影機、監視攝影機等多項影像輸入產品上，醫用內窺鏡上使用的圖像傳感器屬于面型CCD。國外最新的電子內窺鏡采用高性能CCD圖像傳感器生成原始圖像，隨后再傳輸到下游的圖像處理鏈中，最后傳輸給攝像頭控制單元。圖像傳感器采用標準的拜爾模板，通過鏡頭陰影和失真模塊來最大程度地減少噪聲并實現均勻一致的圖像。色彩過濾器陣列（Color Filter Array，CFA）能夠完成像素之間的插補，并將拜爾圖像轉換到RGB（Red Green Blue）色域。隨后再用RGB圖像對自動曝光、增益、白平衡以及對焦等其他參數自動進行控制。

與CCD相比，CMOS具有體積小、耗電量低、成本低等優點，且CMOS是標準工藝制程，可利用現有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步[8]。另外，CMOS傳感器的最大優勢是具有高度系統整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制等，都可集成在一顆晶片上，甚至所有的晶片包括后端晶片（BackendChip）、快閃記憶體（FlashRAM）等也可整合成單晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以達到降低整機生產成本的目的。

2.1.3 采集和處理電路

醫生使用靜態圖像能夠迅速捕獲并共享對象組織的圖像。內置于某些圖像傳感器中的傳感器控制電路包含一個靜態圖像捕獲電路。在其他系統中，這項功能通常由下游執行，即在執行圖像增強功能之后進行。靜態圖像捕獲功能既可用硬件、也可用軟件執行，圖像一般在由醫生保存到磁盤上之前都保存在本地存儲器中。傳統采集和處理電路的主要技術難題之一是要最大限度地縮小機械外形和電子線路的尺寸，以實現更高的易用性。隨著現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Logic Gate Array，FPGA）和數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）技術的發展與應用，通過功能集成和使用更小尺寸的組件封裝可以縮小電氣組件的尺寸，從而幫助系統設計人員縮小總體機械外形，這樣圖像處理的某些工作，如畸變校正、白平衡、圖像增強等就可以由硬件來完成[9-10]。

2.2 圖像后處理

內窺鏡生成的是緩慢移動對象的視頻，保持視頻的清晰至關重要，因為運動產生的模糊會給對象組織的對比度造成不良影響，從而難以執行準確的診斷。極高幀速率的圖像傳感器有助于解決運動模糊問題，但卻不能徹底解決。使用降噪算法，可實現進一步的改進。在使用較低幀速率的小型應用中，降噪算法在提升圖像質量方面發揮著關鍵性的作用[11]。時間降噪即基于運動的降噪技術通常最適合于需要解決運動問題的內窺鏡應用。在時間濾波技術中，可為單個像素創建隨時間變動而變化的噪聲模型，然后采用低通濾波器來消除像素的快速變動。這些快速變動主要是由運動造成的，因此通過濾波，只有與對象相關的緩慢移動像素才可以通過，從而獲得干凈清晰的圖像。

另外邊緣增強也是一種非常重要的圖像處理技術，因為其能幫助醫生更全面地查看組織中的非正常現象[12-13]。例如，僅根據顏色難以將細小的血管與周邊組織區分開來，但可以采用邊緣增強技術生成對比度較強烈的血管視圖，以供醫生分析之用。此外，邊緣增強還常用于改進組織紋理圖像以及粘膜表面圖像的視圖質量。

為了檢測病灶特征，需對圖像進行處理和信息提取。目前由于內窺鏡的分辨率較高，只要對傳統白光照明條件下的圖像邊緣稍加增強，就可通過肉眼直接觀察到某些病灶的位置。但對于有些不明顯的或早期病變則需要借助假彩色成像、數字濾波等技術，如窄帶成像（Narrow-band Imaging，NBI）能夠增強微小血管的結構特征，可發現早期癌癥等微小病變部位[14]；i-scan或智能分光比色技術（Fuji Intelligent Chromo Endoscopy，FICE）能增強表面、血管和凹陷處的結構特征；自發熒光成像技術（Auto Fluorescence Imaging，AFI）可實現強化腫瘤性病變部位色調，近紅外成像技術可實現粘膜深部的血管及血流的紅外線觀察[15]。

2.3 照明方式

光源的作用是在采用內窺鏡進行檢查和治療的過程中進行對象照明。光源通過光纜連接到攝像頭，而光則隨后通過另一組光纜傳輸到內窺鏡的另一端。光單元通常由氙燈或者金屬鹵素燈泡構成，主要由功率電子系統組成。 此外，光單元一般還具備簡單的用戶界面，可對亮度、功率和系統狀態進行控制。部分光源可通過以太網或者其他通信協議連接到圖像管理單元，因而能夠由使用圖像管理接口的操作人員進行遠程控制。該接口必須是實時可用的，且必須在系統其他部分停止工作時也處于工作狀態，這樣該接口就可以根據命令喚醒光源。雖然可以采用多個專用標準產品（Application Specific Standard Product，ASSP）來實現每一項功能，但FPGA也可用單芯片解決方案來滿足所有的用戶接口和通信要求。低功耗、高性能和高度的互連靈活性優勢，非常適用于管理光源中的邏輯要求。

作為醫用內窺鏡的關鍵技術之一，照明色彩的還原性是否良好直接關系到整個內窺鏡的性能。氙燈可滿足內窺鏡照明的需求而被普遍采用，一般光源端裝有準直鏡頭，再會聚耦合到光纖，經光纖傳入到內窺鏡末端，再經照明鏡頭進行照明。隨著高亮LED技術的發展，LED合光后表現出優良的特性，使用LED作為內窺鏡照明已成為可能。

3 醫用內窺鏡應用現狀及發展方向

目前，以內窺鏡系統為核心的微創技術已推廣到耳鼻喉科、普外科、婦產科、胸外科、泌尿外科、兒科等多個科室，從簡單的腹腔鏡下息肉摘除到心臟搭橋均有涉及，幾乎所有傳統的普通外科手術都可以通過內窺鏡微創手術完成。內窺鏡微創技術已成為消化、呼吸、泌尿、耳鼻喉科等系統疾病診斷治療不可或缺的一項技術。

隨著微電子技術、計算機技術、超聲技術等各種先進的科學技術向醫學領域的不斷滲透，醫用內窺鏡的發展趨向于小型化、多樣化，諸如超聲內窺鏡、微型內窺鏡、激光內窺鏡、三維內窺鏡等均在研制發展中，并已逐步應用于臨床。美國等一些西方發達國家正在研制一種內窺鏡手術機器人，來完成內窺鏡的操作，甚至手術器具的操作。借助于機器人動作精確、工作可靠的優點，可使內窺鏡手術更具安全性、準確性和便利性，大大減輕了醫務人員的勞動強度。

4 結語

內窺鏡凝集了最尖端的影像技術，提供的畫像精度使診斷極其微小的病變成為了可能。視頻內窺鏡、電子內窺鏡、超聲內窺鏡的出現開辟了現代醫學內鏡的新紀元，內窺鏡從檢查、診斷時代進入了治療、手術的時代。

從目前對內窺鏡裝置的研究發展趨勢來看，人們越來越傾向于將內窺鏡裝置微型化。此外，隨著現代設計理念的不斷進步以及新技術新材料尤其是電子行業的發展，國內外內窺鏡系統在經歷了幾代人的努力后已完成了跨越式的發展。新型照明光源的應用以及高度集成化、電子化、智能化設計將是未來內窺鏡發展的必然趨勢。

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《中國醫療設備》雜志研究論著欄目簡介

其為通過實驗研究或科學實踐總結的研究成果，實驗數據詳實，有分析和結論，應為具有創新性、實用性和科學性的稿件。如生物醫學工程、醫療儀器設備、計算機應用和醫學新技術等學科領域中的研究創新成果，新發明、新方法、新技術、新理論等。本欄目特別歡迎本學科領域的國家級、省（市）級的立項研究課題產出的論文，也歡迎本學科或相關學科研究生的學位論文。

Research on Key Technologies of the Medical Endoscope System

CHEN Qing
The 174thHospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

With introduction of the development and technological status of endoscope systems, this paper analyzes the key technologies of each component of medical endoscope systems in their development, including image acquisition, image processing and lighting. Then, remarks are made on the future prospect of development directions. Studies on the endoscopic technologies can contribute to promoting medical quality, related industries and technological progress, as well as people’s living quality in China, which is of greatl practical significance.

medical endoscope; image acquisition; image sensors

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.020

1674-1633(2015)04-0068-03

2014-08-10

2014-09-01

作者郵箱：cedychenjl@163．com